유체역학

유체역학 (Fluid Mechanics)

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물의 소화제로서의 조건

- 상온에서 물은 무겁고 비교적 안정된 액체이다.

- 물의 융해잠열은 80kcal/kg

- 물의 비열은 1kca/kg℃이다.

- 물의 증발잠열은 539kacl/kg

- 물이 증발될 때 방대한 수증기를 생성하는 데 증기로 바꾸면 그 체적은1,700배

이상 커진다. 1리터의 액체 상태가 기화된 후 1.77㎥의 공간을 차지한다.

섭씨 260에서 팽창률은 처음 체적의 2,400배이고, 일반적인 불의 온도인 섭씨

650℃에서는 증기가 4,200배 이상 팽창한다(질식효과).

- 물을 분무하면 타는 물질에 의해 가열된 수증기의 소용돌이는 곧 가연성 물질로부

터 수천의 열에너지를 제거시킨다(냉각효과).

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유체역학 기본 이론

소방시설 중에서 물(유체)을 사용하는 설비설계에 가장 기본적으로 이용하는 이론 중에서 가장 많이 적용되는 분야가 수리계산이라 할 수 있다. 따라

서 본 장에서는 이와 관련된 부분을 요약한다.

1. 유체란

-. 고체가 아닌 물질, 일반적으로 액체와 기체 상태로 존재

-. 작은 전단력(shearing force)이라 할지라도 물질내부에 전단력이 생기

면 연속적으로 변형(deformation)하는 물질

* 전단력(shearing force) : 부피 변화 없이 작용면(표면적)에 접선방향으로 작용하는

변형력 즉, 작용하는 단면적에 평행한 힘.

* 응력(stress) : 유체가 힘을 받으면 그 유체 내부에는 그 힘과 크기는 같고 또 방향이

반대이며, 유체의 원형을 유지하려는 힘(저항력)이 생긴다. 이 힘을 응력(應力, stress)

이라고 한다. 전단응력(shearing stress)과 수직(법선)응력(normal stress)이 있다.

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예] 각 변의 길이가 1.5m이고 무게가 100kgf인 박스를 콘크리트 바닥에서 40m위로 밀어 올린다. 바닥이 거칠기 때문에 마찰저항이 생기므로 이 때 필요한 에너지는 20,000J 이었다. 여기서, 이 일을 수행하기 위해 밀어 올려야 할 힘과, 상자바닥에 작용하는 전단응력․ 수직응력을 계산하여라.

풀이] 상자에 미치는 힘

-. 상자의 바닥에 작용하는 수직응력은 다음과 같이 계산할 수 있다.

바닥면적 A=1.5*1.5=2.25㎡ 이 단면적에 작용하는 힘은 100Kgf이다.

-. 작용과 반작용의 법칙에 따르면 전단력은 상자를 미는 힘과 같다

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2. 유체의 분류

유체를 분류하는 매개변수(parameter) : 밀도(density)와 점성도(viscosity)로 분류.

[1] 점도에 따른 분류

1) 점성유체(viscous fluid)－ 점성을 가지는 유체

2) 비점성유체(inviscid fluid) － 점성을 가지지 않는 유체

[2] 밀도에 따른 분류

1) 비압축성 유체(incompressible fluid) : 밀도의 변화가 없다고 가정한 유체

예) 액체 또는 저속으로 흐르는 자유 흐름. 건물, 자동차 주위의 기체 흐름

2) 압축성 유체(compressible fluid) : 밀도의 변화를 동반하는 유체

예) 기체(높은 압축성)

[3] 실존여부에 따른 분류

1) 이상유체(ideal fluid) 또는 완전유체(perfect fluid): 유체의 점성과 압축성

모두를 가지지 않는 가상 유체

2) 실재유체(real fluid) : 점성유체

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3. 유체의 단위와 차원

[1] 절대단위계 : 길이(length), 질량(mass), 시간(time)을 기본량으로 다른 양의 단위를 유도하는 단위 예) MKS단위, CGS단위

[2] 중력단위계(공학단위계) : 길이(length), 힘(force), 시간(time)을 기본량으로 하는 단위. 길이와 시간의 단위는 m와 s 를 사용하고, 힘의 단위는 kgf 라 한다.

[3] 국제단위(SI단위) → MKS단위

학문적, 공업적으로 세계가 한울타리로 되어감에 따라 단위도 통일될 필요성에 의해서 채용된 국제 단위계. 주로 MKS 단위계가 SI단위이다

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4. 밀도, 비체적 및 비중

[1] 유체의 밀도(density): 단위 체적당의 유체질량

[2] 비체적(specific volume) : 단위질량당의 체적, 즉 밀도의 역수

[3] 비중량(specific weight) : 단위 체적당 유체의 중량(weight)

[4] 비중(specific gravity) : 유체 밀도와 특정온도에서의 물 밀도와의 비

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예제

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4. 압력(pressure)

압력의 단위

예제

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유체역학에서 문제를 풀게 될 때 압력 p 는 계기압력이 아니라 절대압력을 사용해야 한다. 절대압력 ＝ 대기압력 + 계기압력(＝ 대기압력 － 진공압력)

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5. 연속 방정식

어느 단면에서도 질량의 변화가 없기 때문에 아래와 같이 된다

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상기 식을 로 나누었을 때

식에 중력 g을 곱하면

예제] 매초당 3,000 N의 물이 그림과 같은 통로에 흐르고 있다. 각 단면에서 유량과 평균속도를 계산하여라

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예제] 안지름 d =100 mm인 파이프에 비중이 S = 0.8인 기름이 평균속도 V = 5 m/s로 흐를 때 질량 유량 M은 몇 kg/s인가?

6. 오일러 방정식

유체흐름에 관련되는 방정식으로는 오일러(Euler) 방정식, 베르누이(Bernoulli) 방정식, 에너지(Energy) 방정식, 모멘텀(momentum) 방정식 등이 있다. 1차원 오일러 방정식은 아래와 같다.

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6.베르누이 방정식

베르누이 방정식(Bernoulli equation)은 오일러 방정식을 적분함으로써 얻어진다.

여기서 비중량 γ와 중력의 가속도 g는 상수이므로

(1) 임의의 두 점은 같은 유선상에 있다.

(2) 정상상태의 흐름이다. (3) 마찰이 없는 흐름이다.

(4) 비압축성유체의 흐름이다.

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